電池で駆動できる低電力用途向け電子負荷：Design Ideas パワー関連と電源

1000〜2000円と安価な部品コストで

　PDAやデジタルカメラなどの携帯型電子機器の電源を設計する際、重要度が高いパラメーターの1つは変換効率である。電池に蓄えたエネルギーを安定した電圧に高効率で変換できれば、電池駆動時間が延び、ユーザーの使い勝手が向上するからだ。

　電源の変換効率は、負荷（シンク）電流（電源から引き出す電流）を徐々に変えながら測定、評価を行う。一般には固定抵抗器、もしくは可変抵抗器を使って負荷電流を変化させている。しかしこの方法では、負荷電流をデジタル的に調整することが難しい。市販されている電子負荷装置を使えばデジタル的に調整できる。しかしこうした電子負荷装置は、低電力の機器を設計しているユーザーにとってオーバースペックで、価格が高いという課題がある。さらに交流電源の使用が不可欠という問題もある。

　そこで1000〜2000円と安価な部品コストで実現できる小型の電子負荷を提案する（図1）。これならば9V電池で動作する。出力容量が数Wまでの小型電源の評価に使える。

　対応する出力電圧は3V〜18V。負荷電流の設定値の分解能は100mAレンジのときに1mA、500mAレンジのときに5mAである。レンジ選択用スイッチ（J₂）に接続する抵抗を替えることで分解能とレンジを変更できる。

図1：電池で駆動できる電子負荷回路 （クリックで拡大）
5つのICと1つのパワーMOSFETで構成した。実際にこの回路を使用する際には、デジタルマルチメーターを用意して、設定した負荷電流値を確認したほうがよい。なお負荷電流の設定値は、ポテンショメーターICに内蔵した不揮発性メモリに記憶させておくことができる。

　回路は5つの低価格なICと1つのパワーMOSFETで構成した。電流センサーIC（IC₄）を使って実際に流れている負荷電流を検出し、それに比例した電圧値（2kΩのとき、1mV/mA）に変換してオペアンプIC（IC₅）に入力する。ユーザーが希望する負荷電流はポテンショメーターIC（IC_3）を使って電圧値として設定する。

　例えば、負荷電流を100mAにしたい場合は、100mVに設定することになる。この値をオペアンプIC（IC₅）に送り、検出した負荷電流値を変換することで得た電圧値と比較する。この結果、2つの値が異なれば、パワーMOSFETのゲート-ソース間電圧（V_GS）を制御することで、実際の負荷電流と設定値が等しくなるように調節する。

　負荷電流の設定は、機械式のコンタクトスイッチ（J₁）とスイッチ（J₃）を使う。J₁を1回押すと、設定値が1mA（もしくは5mA）だけ変化する。このときJ₃がオープンならば増加し、クローズならば減少する。デバウンサーIC（IC₂）は、J₁を押したときに発生するチャタリングを抑制するために挿入した。

　IC₁は基準電圧源ICである。9V電池の出力から5V（V_cc）の電圧を生成し、その電圧をIC₂とIC₃、IC₅に供給する役目を果たす。さらにIC₃の基準電圧源としても機能する。

パワーMOSFETに適切なバイアスを掛ける

図2：設定値と負荷電流の関係 （クリックで拡大）
500mAレンジの場合。一般的な用途には、十分な直線性が確保されている。

　パワーMOSFETには、負荷の放熱に対応できるように、ヒートシンクを取り付けておく。例えば、18V、0.5Aの場合は約9Wの放熱が必要になる。電流センサーICの出力抵抗と並列に接続した1μFのコンデンサーは、ループ応答を改善するために挿入した。

　負荷電流の希望する値と実際の値の誤差を小さくし、さらに線形性を確保するためには、パワーMOSFETに適切なバイアスを掛けることが必要だ。今回の設計では、500mAレンジを実現するために2Ωの抵抗器を使った。こうして一般的な用途には十分な誤差と線形性を実現した（図2）。

　最大負荷電流は、バイアス抵抗の変更と適切なヒートシンクを接続することで増やすことができる。例えば、バイアス抵抗器を1Ωにすれば、負荷電流を1Aに高められる。さらに対応する出力電圧の最低値は3V以下にすることが可能だ。今回は電流センサーICの電源を被測定用電源から供給したため、3V以下に下げられないが、別の電源から供給できるような電流センサーICに変更すれば、0V近辺でも動作する電子負荷を実現できる。

※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事から200本を厳選し、5つのカテゴリーに分けて収録した。